Para peneliti di Northwestern University telah memperkenalkan sel bahan bakar bertenaga mikroba tanah, yang secara signifikan mengungguli teknologi serupa dan memberikan solusi berkelanjutan untuk memberi daya pada perangkat berenergi rendah, dengan akses publik penuh terhadap desainnya untuk aplikasi luas. Tutup sel bahan bakar cetakan 3D terlihat di tanah. Tutupnya mencegah kotoran masuk ke perangkat sekaligus memungkinkan aliran udara. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern
Tim peneliti yang dipimpin Universitas Northwestern telah mengembangkan sel bahan bakar baru yang mengumpulkan energi dari mikroba yang hidup di dalam tanah.
Seukuran buku bersampul standar, teknologi yang sepenuhnya bertenaga tanah ini dapat menjadi bahan bakar sensor bawah tanah yang digunakan dalam pertanian presisi dan infrastruktur ramah lingkungan. Hal ini berpotensi menawarkan alternatif baterai yang berkelanjutan dan terbarukan, yang mengandung bahan kimia beracun dan mudah terbakar yang larut ke dalam tanah, penuh dengan konflik dalam rantai pasokan, dan berkontribusi terhadap meningkatnya masalah limbah elektronik.
Untuk menguji sel bahan bakar baru, para peneliti menggunakannya untuk memberi daya pada sensor yang mengukur kelembapan tanah dan mendeteksi sentuhan, kemampuan yang berguna untuk melacak hewan yang lewat. Untuk mengaktifkan komunikasi nirkabel, para peneliti juga melengkapi sensor bertenaga darat dengan antena kecil untuk mengirimkan data ke stasiun pangkalan tetangga dengan memantulkan sinyal frekuensi radio yang ada.
Sel bahan bakar tidak hanya berfungsi dengan baik dalam kondisi basah dan kering, tetapi tenaganya juga melebihi teknologi serupa sebesar 120%.
Penelitian ini akan dipublikasikan hari ini (12 Januari) di Proceedings of the Association for Computing Machinery on Interactive, Mobile, Wearable, and Ubiquitous Technologies. Penulis penelitian juga merilis semua desain, tutorial, dan alat simulasi kepada publik, sehingga orang lain dapat menggunakan dan mengembangkan penelitian tersebut.
“Jumlah perangkat di Internet of Things (IoT) terus bertambah,” kata alumni Northwestern, Bill Yen, yang memimpin penelitian tersebut. “Jika kita membayangkan masa depan dengan triliunan perangkat ini, kita tidak bisa membuat semuanya menggunakan litium, logam berat, dan racun yang berbahaya bagi lingkungan. Kita perlu menemukan alternatif yang dapat menyediakan sejumlah kecil energi untuk menggerakkan jaringan perangkat yang terdesentralisasi. Untuk mencari solusinya, kami menggunakan sel bahan bakar mikroba tanah, yang menggunakan mikroba khusus untuk memecah tanah dan menggunakan sejumlah kecil energi untuk menggerakkan sensor. Selama masih ada karbon organik di dalam tanah yang dapat diuraikan oleh mikroba, sel bahan bakar berpotensi bertahan selamanya.”
Bill Yen, penulis utama studi tersebut, mengubur sel bahan bakar selama pengujian di laboratorium di Northwestern University. Kredit: Universitas Northwestern
“Mikroba ini ada dimana-mana; mereka sudah hidup di tanah di mana pun,” kata George Wells dari Northwestern, penulis senior studi tersebut. “Kita dapat menggunakan sistem rekayasa yang sangat sederhana untuk menangkap listrik mereka. Kami tidak akan memberi daya pada seluruh kota dengan energi ini. Namun kita dapat memanfaatkan sejumlah kecil energi untuk mendukung aplikasi praktis dan berdaya rendah.”
Wells adalah profesor teknik sipil dan lingkungan di Sekolah Teknik McCormick Northwestern. Sekarang gelar Ph.D. mahasiswa di Universitas Stanford, Yen memulai proyek ini ketika dia menjadi peneliti sarjana di laboratorium Wells.
Solusi untuk pekerjaan kotor
Dalam beberapa tahun terakhir, semakin banyak petani di seluruh dunia yang mengadopsi pertanian presisi sebagai strategi untuk meningkatkan hasil panen. Pendekatan berbasis teknologi mengandalkan pengukuran tingkat kelembapan, unsur hara, dan kontaminan dalam tanah secara tepat untuk mengambil keputusan yang meningkatkan kesehatan tanaman. Hal ini memerlukan jaringan perangkat elektronik yang luas dan terdistribusi untuk terus mengumpulkan data lingkungan.
“Jika Anda ingin memasang sensor di alam liar, di peternakan, atau di lahan basah, Anda dibatasi memasang baterai di dalamnya atau memanen energi matahari,” kata Yen. “Panel surya tidak berfungsi dengan baik di lingkungan yang kotor karena tertutup tanah, tidak berfungsi saat matahari tidak bersinar, dan memakan banyak tempat. Baterai juga menjadi tantangan karena kehabisan daya. Para petani tidak akan pergi ke lahan pertanian seluas 100 hektar untuk mengganti baterai atau membersihkan panel surya secara teratur.”
Untuk mengatasi tantangan ini, Wells, Yen, dan kolaboratornya bertanya-tanya apakah mereka dapat memanfaatkan energi dari lingkungan yang ada. “Kami dapat memanen energi dari tanah yang dipantau oleh para petani,” kata Yen.
'Upaya terhambat'
Pertama kali muncul pada tahun 1911, sel bahan bakar mikroba (MFC) berbasis tanah beroperasi seperti baterai — dengan anoda, katoda, dan elektrolit. Namun alih-alih menggunakan bahan kimia untuk menghasilkan listrik, MFC memanen listrik dari bakteri yang secara alami menyumbangkan elektron ke konduktor terdekat. Ketika elektron-elektron ini mengalir dari anoda ke katoda, rangkaian listrik tercipta.
Sel bahan bakar, tertutup kotoran setelah diekstraksi dari tanah untuk penelitian. Kredit: Bill Yen/Universitas Northwestern
Namun agar sel bahan bakar mikroba dapat beroperasi tanpa gangguan, sel tersebut harus tetap terhidrasi dan teroksigenasi – hal ini sulit dilakukan jika terkubur di bawah tanah di tanah kering.
“Meskipun MFC telah ada sebagai sebuah konsep selama lebih dari satu abad, kinerjanya yang tidak dapat diandalkan dan daya keluaran yang rendah telah menghambat upaya untuk memanfaatkannya secara praktis, terutama dalam kondisi kelembapan rendah,” kata Yen.
Geometri yang menang
Dengan mempertimbangkan tantangan-tantangan ini, Yen dan timnya memulai perjalanan dua tahun untuk mengembangkan MFC berbasis darat yang praktis dan andal. Ekspedisi tersebut mencakup pembuatan — dan perbandingan — empat versi berbeda. Pertama, para peneliti mengumpulkan data agregat selama sembilan bulan tentang kinerja setiap desain. Kemudian, mereka menguji versi finalnya di taman luar ruangan.
Prototipe dengan kinerja terbaik bekerja dengan baik dalam kondisi kering serta di lingkungan yang tergenang air. Rahasia di balik kesuksesannya: Geometrinya. Daripada menggunakan desain tradisional, dimana anoda dan katoda sejajar satu sama lain, sel bahan bakar pemenang menggunakan desain tegak lurus.
Terbuat dari karbon (konduktor yang murah dan melimpah untuk menangkap elektron mikroba), anoda dipasang secara horizontal ke permukaan tanah. Terbuat dari logam inert dan konduktif, katoda berada secara vertikal di atas anoda.
Meskipun seluruh perangkat terkubur, desain vertikal memastikan tepi atas sejajar dengan tanah. Tutup cetakan 3D ditempatkan di atas perangkat untuk mencegah kotoran masuk ke dalam. Dan lubang di bagian atas dan ruang udara kosong di sebelah katoda memungkinkan aliran udara yang konsisten.
Ujung bawah katoda tetap berada jauh di bawah permukaan, memastikan katoda tetap terhidrasi dari tanah lembab di sekitarnya — bahkan ketika permukaan tanah mengering di bawah sinar matahari. Para peneliti juga melapisi katoda dengan bahan tahan air sehingga bisa bernafas saat terjadi banjir. Dan, setelah potensi banjir, desain vertikal memungkinkan katoda mengering secara bertahap, bukan sekaligus.
Rata-rata, sel bahan bakar yang dihasilkan menghasilkan daya 68 kali lebih besar dari yang dibutuhkan untuk mengoperasikan sensor. Ia juga cukup kuat untuk menahan perubahan besar pada kelembapan tanah — dari agak kering (41% air berdasarkan volume) hingga sepenuhnya berada di bawah air.
Jadikan komputasi dapat diakses
Para peneliti mengatakan semua komponen untuk MFC berbasis tanah dapat dibeli di toko perangkat keras setempat. Selanjutnya, mereka berencana mengembangkan MFC berbasis tanah yang terbuat dari bahan yang sepenuhnya dapat terbiodegradasi. Kedua desain tersebut melewati rantai pasokan yang kompleks dan menghindari penggunaan mineral konflik.
“Dengan COVID 19 pandemi ini, kita semua sudah paham bagaimana krisis dapat mengganggu rantai pasokan elektronik global,” kata rekan penulis studi Josiah Hester, mantan anggota fakultas Northwestern yang sekarang di Institut Teknologi Georgia. “Kami ingin membangun perangkat yang menggunakan rantai pasokan lokal dan material berbiaya rendah sehingga komputasi dapat diakses oleh semua komunitas.”
Referensi: “Soil-Powered Computing” oleh Bill Yen, Laura Jaliff, Louis Gutierrez, Philothei Sahinidis, Sadie Bernstein, John Madden, Stephen Taylor, Colleen Josephson, Pat Pannuto, Weitao Shuai, George Wells, Nivedita Arora dan Josiah Hester, 11 Januari 2024, Prosiding ACM tentang Teknologi Interaktif, Seluler, Dapat Dipakai, dan Ada di Mana-Mana.
DOI: 10.1145/3631410
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (nomor penghargaan CNS-2038853), Inisiatif Penelitian Pertanian dan Pangan (nomor penghargaan 2023-67021-40628) dari Institut Pangan dan Pertanian Nasional USDA, Yayasan Alfred P. Sloan, VMware Penelitian dan 3M.
NewsRoom.id
